JP2006019223A - Ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁寸法を増加することなく、X線管の絶縁性能を向上させる。
【解決手段】 本発明のX線管は、真空容器内の導体６ｂ、６ｄを支持するガラス絶縁体６ｃの真空側の表面に、導体６ｂ、６ｄの端の位置から２ｍｍ以上の範囲１４にわたって、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４の算術平均粗さ１．０μm以上１０μm以下の凹凸を形成して、ガラス絶縁体の機械的強度を保持し、かつ凹凸による絶縁耐電圧の向上を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、X線診断装置などに用いられるＸ線管に係り、具体的には陰極などの高電圧の導体を支持するガラス絶縁体の耐電圧を向上させる技術に関する。

Ｘ線管は、例えば、特許文献1に記載されているように、ガラスで形成されるガラス管球内に電子を供給する陰極と、その電子を照射してＸ線を発生させる陽極とを収納し、ガラス管球内を真空にして、陰極と陽極あるいは陰極と接地電位導体を真空およびガラスにより絶縁する構造を有し、ガラス管球の外側を絶縁油で充たす構造に形成されている。

このような構造のX線管において、絶縁的に弱い部位は、ガラスと真空との界面である。このガラスの真空側界面にガス分が吸着されると、あるいは導電性の塵埃が付着すると、絶縁性能が著しく低下することが知られている。そこで、従来は、ガラス管球の内面を鏡面仕上げするとともに、溶剤などで十分に洗浄した後、ガラス管球内を排気しながら高抵抗を介して電流を制限した電圧を加え、徐々に耐電圧性能を向上するコンディショニング処理が行われている。これらの処理によって、真空部分およびガラス管球内面の耐電圧性能を必要な状態に調整し、ガラス管球の外側に絶縁油を充填してＸ線管の絶縁を確保している。

一方、X線管に関する技術ではないが、真空容器内のガラス絶縁体の絶縁性能を向上させるため、高電圧導体を支持するガラススペーサの表面を研磨加工して、平均表面粗さ約０．００３〜３．０７μmの凹凸を形成することにより、ガラススペーサの沿面フラッシオーバ電圧を向上できることが報告されている（非特許文献１）。

特開２００１−３１９６０７号公報 「ガラススペーサの絶縁特性」平成１５年電気学会全国大会、２００３／３／１７〜１９仙台、第１分冊１−０７６、第１０２ページ

しかしながら、上記のようなコンディショニング処理を施しても、稀に絶縁性能が低下するX線管があり、安定した更なる絶縁耐電圧の向上が望まれている。

また、非特許文献１に記載された技術は、直径５４mm、厚さ０．３mmから１０mmの円柱状の比較的小さなガラススペーサの試料についての試験データであり、Ｘ線管に適用した場合の機械的な強度等の問題については、配慮されていない。

本発明は、絶縁寸法を増加することなく、X線管の絶縁性能を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のX線管は、真空容器内の導体を支持するガラス絶縁体の真空側の表面に、前記導体の端の位置から一定範囲にわたって、算術平均粗さ１０μm以下の凹凸を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ガラス管球などのガラス絶縁体内面の絶縁性能を向上できることを実験的に確認している。また、導体の端から一定範囲に限ったのは、ガラス絶縁体の機械的強度を保持すること、および、必要以上の範囲にわたって凹凸を形成しても、図４の実験データに示すように、絶縁性能が向上しないという知見に基づくものである。特に、本発明によれば、絶縁性能向上の効果は安定しており、従来技術のような不安定な絶縁性能を解消することができる。

ここで、凹凸の算術平均粗さは、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４に規定されている。凹凸の算術平均粗さの上限を１０μmとしたのは、ガラス絶縁体の機械的強度が低下するのを抑制するためである。また、下限は１．０μmであれば、凹凸による絶縁耐電圧の向上を達成することができる。

また、凹凸を形成する一定範囲は、少なくとも２mmの範囲とすることが好ましい。ただし、凹凸を形成する範囲が２mm以上であっても、耐電圧性の向上効果は余り変わらないから（図４参照）、機械的な強度を考慮して凹凸を形成する範囲を決めることが好ましい。

特に、陰極または陰極と同電位の導体を支持するガラス絶縁体の真空側表面に本発明の凹凸を形成することが望ましい。これにより、陰極からガラス絶縁体の表面に放出される電子の初動を抑制して、効果的に絶縁性能を向上できる。しかし、本発明は、これに限らず、陰極と同電位の導体にガラス絶縁体を介して対向する接地電位の導体の端から一定範囲にわたって、上記の凹凸を形成することができる。

また、本発明の凹凸は、平均粒径８μm乃至１００μmのアルミナ、高純度アルミナ、ジルコニアのいずれか１つを用いてサンドブラスト法により形成することができる。

本発明によれば、絶縁寸法を増加することなく、X線管の絶縁性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１に、本発明が適用された一実施の形態のＸ線管の陰極ステム部の拡大断面図を示し、図2に一般的なＸ線管の全体の断面構成図を示す。

図２に示すように、Ｘ線管は、真空に保持されたガラス管球１と、ガラス管球１を包囲して形成されたケース２とを有してなり、ガラス管球１とケース２との間の空間に絶縁油１１が充填されている。ガラス管球１は、径が異なる複数の円筒部材を連結して形成されている。そして、ガラス管球１の長手方向の中央の大径部１ａに、陰極の集束体３と回転円板状の陽極ターゲット４が対向させて設けられている。それらの対向部に位置するケース２の壁面に、Ｘ線が放出される窓５が設けられている。陰極の集束体３は、ガラス管球１の一方の小径部１ｂを構成する陰極ステム部６に支持されている。また、陽極ターゲット４は、ガラス管球１の他方の小径部１ｃに設けられたロータ７に支持され、ロータ７はガラス管球１の外側に設けられたステータコイル８によって軸受９回りに回転可能に設けられている。軸受９は、ガラス管球１の端部に形成された金属製のステム１０に支持されている。

ここで、本発明の特徴部に係る他の実施の形態のＸ線管の陰極ステム部の構成を、図１を参照して説明する。陰極ステム部６は、主電極１２とヒータ電極１３が挿通された円板状のセラミック製のステム６ａと、このステム６ａの外周に固着された金属導体６ｂを介して固着された筒状のガラス製のステム６ｃとで形成されている。ステム６は、例えば、ほう珪酸ガラスで形成されている。ステム６ｃの他端は、金属導体６ｄを介してガラス管球１の中央の大径部１ａに連結されている。ステム６ｃの内側に、ステム６ａから起立させて円筒状の陰極ホルダ１３が設けられ、陰極ホルダ１３の先端に陰極の集束体３が取り付けられている。集合体３は、主電極１２に接続されるとともに、ヒータ電極１３から供給される電流によって加熱されるようになっている。

このように構成される本実施の形態の動作について説明する。陰極の集束体３を加熱することにより集束体３から電子が放出される。集束体３から放出された電子は、集束体３と陽極ターゲット４間に形成された電界によって加速され、陽極ターゲット４に照射される。これにより、陽極ターゲット４から発生するＸ線は窓５から取り出される。

このようなX線管においては、絶縁上から主要部の真空を保ち、かつ陰極を支持する陰極ステム６の絶縁性能が重要である。図１のＸ線管では、陰極ステム６の外側は絶縁油１１で覆われ、油中の塵埃などを管理することによって、安定な絶縁性能を発揮することができる。一方、陰極ステム部６は、複数の部材で構成されるが、絶縁を担っているのは、陰極側の金属導体６ｂから接地電位側の金属導体６ｄの間のガラス製のステム６ｃの真空側内面である。

特に、本実施形態では、金属導体６ｂの端からガラス製のステム６ｃの真空側の内面に、一定範囲１４にわたって凹凸が形成されていることを特徴とする。この凹凸は、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４に規定されている算術平均粗さ１０μm以下の凹凸であることが好ましい。算術平均粗さ１０μmを越えると、ガラスステムの機械的強度が低下するからである。

また、ガラス内面に数μｍの凹凸を付けるためには、平均粒径８μm乃至１００μmのアルミナ、高純度アルミナ、ジルコニアのいずれか１つを用いてサンドブラスト法により形成することができる。また、一定の範囲１４のみ凹凸を付けるには、一定の範囲１４を除く部分に、ビニルテープ等のマスク材を貼り付けて、サンドブラストを施すことで実現できる。

図３に、ガラス内面に付けた凹凸の深さと絶縁耐電圧の関係を示す実験データを示す。図３の横軸は上記のＪＩＳに規定されている算術平均粗さ（μｍ）であり、縦軸は算術平均粗さ０．０１μｍの絶縁耐電圧を「１」とした場合の絶縁耐電圧の相対値を示している。同図から明らかなように、算術平均粗さ１．０μｍ以上において絶縁耐電圧が急激に向上している。算術平均粗さ１．０μｍ以上の凹凸を設けた場合の絶縁耐電圧は、凹凸なしに比べて約１．５倍以上であることが判った。

次に、図４に、凹凸をつける一定範囲１４の効果についての実験データを示す。同図において、横軸は凹凸をつけた幅（ｍｍ）を示し、縦軸は凹凸なしの絶縁耐電圧を「１」とした場合の絶縁耐電圧の相対値を示している。同図から明らかなように、陰極側の金属導体６ｂの端から２ｍｍの幅で、ガラス製のステム６ｃの内面に凹凸を形成することにより、ステム６ｃの内面の全面に凹凸を付けた場合と同様な効果を得ることができる。

以上整理すると、ガラス絶縁体であるステムの機械的強度を保持し、かつ凹凸の効果を考慮して、ガラス絶縁体で支持する金属導体の端の位置から少なくとも２ｍｍの範囲に、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４に規定されている算術平均粗さ１．０μm以上で１０μm以下の凹凸を設けることにより、ガラス絶縁体の機械的強度の低下を招くことなく、絶縁耐電圧を大幅に向上させることができる。その結果、Ｘ線管の寿命を著しく延ばすことも可能になる。

また、上記実施の形態では、ガラス製のステム６ｃの陰極側の金属導体６ｂの端から一定の範囲１４に凹凸を設ける例を示した。これは、陰極からガラス絶縁体であるステム６ｃの表面に放出される電子の初動を抑制して、効果的に絶縁性能を向上できるからである。しかし、これに限らず、接地側の金属導体６ｄの端から一定の範囲１５に凹凸を設けることができる。また、機械的強度上の問題がなければ、ガラス製のステム６ｃで支持する２つの金属導体６ｂから６ｄまでの全範囲に凹凸を設けてもよい。
（実施の形態２）
本発明の特徴部に係る他の実施の形態のＸ線管の陰極ステム部の構成を、図５を参照して説明する。図５の陰極ステム部の構成は、図１と若干異なり、陰極ステム部２１の全体がガラス絶縁体で形成されている。すなわち、陰極ステム部２１は、主電極２２とヒータ電極２３を支持する中空円筒状のセンターステム２１aを備えて構成されている。このセンターステム２１ａは、釣鐘のように、下端部を拡径し、さらに下端から折り曲げて、センターステム２１aを取り囲むように立ち上げられた外筒ステム２１ｂを有して構成されている。センターステム２１ａおよび外筒ステム２１ｂを含む陰極ステム部２１は、例えば、ほう珪酸ガラスで形成されている。

センターステム２１ａの上端部には、陰極を支持する金属導体２４が固定され、この金属導体２４の上端に直交させて金属導体２５が固定されている。金属導体２５の一方の先端部に陰極の集束体３が取り付けられ、集束体３は主電極２２に接続されている。また、金属導体２５に支持させて筒状導体からなるシールドリング２６が、センターステム２１ａの途中まで同心状に設けられ、これによって電界を緩和するようになっている。また、外筒ステム２１ｂの先端部には、接地電位に接続されるリング状の金属導体２７が固着され、この金属導体２７の先端に筒状導体からなるシールドリング２８がシールドリング２６と同心状に設けられ、これによって電界を緩和するようになっている。

特に、本実施形態は、金属導体２４の端からセンターステム２１aの真空側の内面に、網掛けを付して示した一定範囲３０にわたって凹凸が形成されている。この一定範囲３０は、図１実施形態と同様である。また、凹凸の算術表面粗さについても同様である。

本実施の形態によれば、図１の実施の形態と同一の効果を奏することができる。また、接地電位側の金属導体２７の端から外筒ステム２１ｂの真空側の内面に、一定範囲３２にわたって凹凸を形成してもよく、さらにセンターステム２１ａから外筒ステム２１ｂまでの全範囲に凹凸を形成してもよい。

本発明のＸ線管の一実施の形態の主要部の構成図である。 発明のＸ線管の一実施の形態の全体構成図である。 陰極ステム部のガラス絶縁体の表面に設けた凹凸と絶縁耐電圧の関係を示す実験データである。 陰極ステム部の導体の端からガラス絶縁体の表面に設けた凹凸の幅と絶縁耐電圧の関係を示す実験データである。 本発明のＸ線管の他の実施の形態の主要部の構成図である。

符号の説明

１ ガラス管球
２ ケース
３ 集束体
４ 陽極ターゲット
５ 窓
６ 陰極ステム部
６ａ ステム
６ｂ 金属導体
６ｃ ステム
６ｄ 金属導体
１２ 主電極
１３ ヒータ電極
１４、１５ 一定範囲

Claims (7)

1. 電子を放出する陰極と、該陰極から放出される電子を照射することによりＸ線を放出する陽極とを真空容器に収納してなるX線管において、前記真空容器内の導体を支持するガラス絶縁体の真空側の表面に、前記導体の端の位置から一定範囲にわたって、算術平均粗さ１０μm以下の凹凸が形成されてなることを特徴とするＸ線管。
2. 前記一定範囲は、少なくとも２mmの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のX線管。
3. 前記導体は、前記陰極と同電位の導体であることを特徴とする請求項２に記載のX線管。
4. 前記導体は、前記陰極と同電位の導体に前記ガラス絶縁体を介して対向する接地電位の導体であることを特徴とする請求項２に記載のＸ線管。
5. 前記凹凸は、算術平均粗さ１．０μm以上１０μm以下の凹凸であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
6. 前記凹凸は、平均粒径８μm乃至１００μmのアルミナ、高純度アルミナ、ジルコニアのいずれか１つを用いてサンドブラスト法により形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
7. 前記ガラス絶縁体は、ほう珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。

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